探戈

很多人可能見過這樣一張照片：一只沒有體毛的裸鼠，站在一個透明的圓形培養(yǎng)皿中，它背上竟然長著一個“人類”的耳朵，令人驚嘆不已。這是科學(xué)史上最引人注目的小鼠之一，其實也是20多年前一項組織工程學(xué)的研究成果，科學(xué)家希望利用這些裸鼠生產(chǎn)出可供人類利用的耳廓等組織。

時至今日，這項“人耳鼠”成果在很多科學(xué)家眼里只能算是“小兒科”了，科學(xué)家已將小鼠的一些基因、組織甚至某些器官改造得越來越接近人類，希望它們能為人類健康作出貢獻。人源化肝臟嵌合小鼠正是其中的實驗之一。

培育初衷

肝臟是個神奇的器官，它既是人體最大的內(nèi)臟器官，能分泌膽汁、儲藏糖原，調(diào)節(jié)新陳代謝，也是人體最大的解毒器官。人體代謝過程所產(chǎn)生的有毒產(chǎn)物、日常攝入的毒素或重金屬、藥物的代謝產(chǎn)物等都需要肝臟來解毒。但是，這些毒素——特別是有毒的藥物、代謝產(chǎn)物——劑量超過肝臟的解毒能力時，會對肝臟造成致命損傷。此外，人類肝臟也容易受到一些特殊病毒，如甲肝病毒、乙肝病毒和丙肝病毒等的侵害，而且這些病毒往往特異性感染人類等靈長類動物，因此人類肝臟成為新藥開發(fā)、肝臟疾病機理研究等領(lǐng)域的重要關(guān)注對象。顯而易見，人類肝臟并不便于直接研究，用猴子、黑猩猩等靈長類動物又存在成本高、倫理爭議大等問題，怎么辦？借助實驗動物或是一個理想的替代方案。

鑒于結(jié)構(gòu)相對簡單、飼養(yǎng)方便、成本低廉、基礎(chǔ)研究透徹等諸多優(yōu)點，小鼠已成為最常見的實驗動物。科學(xué)家通過化學(xué)誘導(dǎo)、物理刺激、轉(zhuǎn)基因和基因編輯等技術(shù)培育出的小鼠模型不計其數(shù)，這些小鼠模型也在生物學(xué)基礎(chǔ)研究、組織工程、藥物開發(fā)、人類疾病機理研究等領(lǐng)域發(fā)揮著突出作用，成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域最受歡迎的研究工具和材料。值得一提的是，以小鼠為對象的相關(guān)研究已至少獲得20項諾貝爾獎，小鼠也成為生命科學(xué)研究領(lǐng)域名副其實的大功臣。

不過，小鼠與人類在器官結(jié)構(gòu)、代謝特點、遺傳背景等方面都存在較大差異，也就是說，小鼠并不能完全模擬人類，甚至?xí)槿祟愋滤幒图膊C理研究帶來一些誤導(dǎo)。據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)小鼠等實驗動物驗證有效和安全的候選新藥，只有不到8%的藥物能最終完成臨床試驗并獲得新藥證書，這顯示了小鼠等實驗動物預(yù)測準(zhǔn)確性相對較低。但盡管不是完全靠譜，世界藥物開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)程序還是離不開小鼠等實驗動物。

隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù)的發(fā)展，有科學(xué)家提出了人源化小鼠的設(shè)想，也就是將小鼠某些特性改造得與人類相近，這或許可以解決小鼠在藥物開發(fā)、疾病模型等方面預(yù)測準(zhǔn)確性差的難題。為了讓小鼠更接近于人類，科學(xué)家利用嵌合技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因編輯技術(shù)培育出的人源化嵌合小鼠，竟然可以長出人類肝臟等組織器官，從而使這些小鼠在新藥開發(fā)、人類疾病機理研究等領(lǐng)域發(fā)揮出越來越重要的作用。

推陳出新

2001年，加拿大阿爾伯塔大學(xué)的研究人員突發(fā)奇想，將人肝細胞移植到一種有遺傳缺陷的轉(zhuǎn)基因小鼠體內(nèi)，這些人肝細胞居然在小鼠的肝臟上正常生長，硬生生把小鼠肝臟變成了人肝細胞的“地盤”。大家都知道，不同物種的細胞相互之間存在免疫排斥反應(yīng)，一般情況下，小鼠免疫系統(tǒng)一旦識別出人類細胞等外來細胞，會馬上將其清除，為什么這種轉(zhuǎn)基因小鼠卻能允許人肝細胞肆意生長呢？

原來，這種在1990年由美國辛辛那提大學(xué)的科學(xué)家培育出來的轉(zhuǎn)基因小鼠被轉(zhuǎn)入了一種叫尿激酶的基因，讓小鼠過量表達尿激酶而發(fā)生凝血障礙。這原本主要用于模擬一種人類新生兒凝血障礙，但過量的尿激酶卻對小鼠自身的肝臟造成了損傷，使其肝細胞大量減少，導(dǎo)致小鼠肝臟萎縮。加拿大研究人員將這種轉(zhuǎn)基因小鼠與另一種存在嚴(yán)重免疫缺陷的小鼠雜交，使其后代含有嚴(yán)重免疫缺陷和肝臟損傷這兩種缺陷，再將人肝細胞移植到這些小鼠體內(nèi)。由于這些小鼠本身具有免疫缺陷，其免疫系統(tǒng)已形同虛設(shè)，自然不會對外來的人肝細胞發(fā)起攻擊，因此人肝細胞在小鼠體內(nèi)得以生長發(fā)育，并填補原來小鼠自身肝臟萎縮后留下的空缺。這樣，第一代嵌合人肝細胞的人源化小鼠就培育成功了。

人肝細胞在嵌合小鼠肝臟中的生長過程

研究人員進一步分析發(fā)現(xiàn)，這種人源化小鼠的人肝細胞占整個嵌合肝臟的一半以上，而且能感染靈長類動物特異的丙肝病毒，成為第一種理想的丙肝病毒小鼠模型。不過第一代人源化小鼠模型的人肝細胞含量還是偏低，后來經(jīng)過不斷改進，人肝細胞含量最多也只占到整個嵌合肝臟細胞總量的70%左右。此外，第一代人源化小鼠模型還存在繁殖效率低、存活時間短等問題，限制了這種小鼠模型的應(yīng)用效果和范圍，于是第二代人源化嵌合小鼠便應(yīng)運而生了。

2007年，美國俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的人源化肝臟小鼠，其基本思路與第一代相似。不過，美國科學(xué)家采取的方法并非轉(zhuǎn)基因技術(shù)，而是將基因敲除。他們將1個影響小鼠肝細胞存活能力的基因和兩個控制免疫細胞發(fā)育的基因都破壞掉，同樣得到了含有肝臟損傷和嚴(yán)重免疫缺陷這兩種缺陷的小鼠，然后將人肝細胞移植到這種基因敲除小鼠體內(nèi)，這種人源化嵌合小鼠體內(nèi)的人肝細胞含量可達到嵌合肝臟的90%以上。不僅如此，這種新的人源化嵌合小鼠還具有兩項新的優(yōu)勢：一是可以用多種來源的人肝細胞，比如從尸體上摘取的肝細胞、冷凍肝細胞、從新鮮肝臟切除的肝細胞等;二是能進行人肝細胞連續(xù)的再植入，以將人肝細胞含量長期維持在較高水平。這一優(yōu)勢是其他小鼠模型所不具備的。不過，這種第二代人源化肝臟小鼠模型需要肝臟保護藥物的協(xié)助。

日本中央實驗動物研究所培育出了第三代人源化肝臟小鼠。研究人員先用化學(xué)藥物損傷小鼠自身肝臟，再植入人肝細胞，結(jié)果人肝細胞含量也可達到嵌合肝臟的90%以上，并可以在不需要肝臟保護藥物幫助的情況下，穩(wěn)定維持8個月以上的存活時間。

應(yīng)用廣泛

科學(xué)家開發(fā)的這些人源化肝臟嵌合小鼠模型，具有與人體肝臟類似的代謝特點和功能，人源酶類和轉(zhuǎn)運蛋白分泌水平也與人體肝臟相當(dāng)，可主要用于評估新藥安全性、藥效和代謝過程等，也可模擬乙肝病毒、丙肝病毒等感染肝臟的過程，以便于有針對性地開發(fā)安全有效的藥物和治療方法。

大鼠與小鼠的嵌合體

日本研究機構(gòu)在人源化肝臟小鼠模型研究領(lǐng)域開展的大量工作，也是2019年8月日本政府批準(zhǔn)開展人鼠嵌合體研究的重要基礎(chǔ)。日本鳳凰生物株式會社在大力推廣人源化肝臟小鼠模型的商業(yè)化應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，不僅專門成立了人源化肝臟小鼠生產(chǎn)和研發(fā)機構(gòu)，而且還為該公司所開發(fā)的人源化肝臟小鼠注冊了商標(biāo)，使其成為世界上使用最廣泛的人源化肝臟嵌合小鼠模型。2019年，日本麒麟株式會社轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究部的研究人員曾用改進的第一代人源化嵌合小鼠對該公司研制的一種單克隆抗體進行安全評估，結(jié)果顯示，該小鼠模型能很準(zhǔn)確地評價該抗體引發(fā)的肝毒性，包括丙氨酸轉(zhuǎn)移酶升高、人源性肝細胞凋亡增加等。

研究顯示，科學(xué)家通過評估一種治療乙肝的失敗藥物，證明第三代人源化嵌合小鼠模型具有較高的肝毒性靈敏度。在1993年一次臨床Ⅱ期試驗中，15名志愿者注射了這種藥物，結(jié)果有7名志愿者因肝臟衰竭不幸死亡，導(dǎo)致該藥物的臨床試驗被緊急叫停。而在之前的小鼠、大鼠、狗和猴子等多項臨床前動物實驗中，研究人員均未發(fā)現(xiàn)該藥具有嚴(yán)重的肝毒性。當(dāng)使用第三代人源化肝臟小鼠對其進行重新評估時，他們發(fā)現(xiàn)，這一藥物的確會對人類肝臟造成直接毒性。如果這種人源化肝臟小鼠能夠早日培育出來并得到應(yīng)用，或許可以避免臨床試驗志愿者死亡的悲劇。

裸鼠身上長出人耳廓

利用第三代嵌合小鼠模型，研究人員還篩選到一種治療丙肝的新藥，證明該藥物具有較強的抗丙肝活性，而且與另一種藥物聯(lián)合使用療效更加顯著。第三代人源化嵌合小鼠模型為丙型肝炎治療性方法的發(fā)展作出了重要貢獻。

人源化肝臟嵌合小鼠已成為新藥安全性評價和藥效學(xué)研究的理想工具，科學(xué)家利用人源化小鼠規(guī)?；a(chǎn)人用細胞、組織或器官的前景也值得期待。